Steel systems composed of Reinforced Concrete column to Steel beam connection (RCS) have been raised as a structural system in the past few years. The optimized combination of steel-concrete structural elements has the advantages of both systems. Through beam and through column connections are two main categories in RCS systems. This study includes finite-element analyses of mentioned connection to investigate the seismic performance of RCS connections. The finite element model using ABAQUS software has been verified with experimental results of a through beam type connection tested in Taiwan in 2005. According to verified finite element model a parametric study has been carried out on five RCS frames with different types of lateral restraint system. The main objective of this study is to investigate the forming of plastic hinges, distribution of stresses, ductility and stiffness of these models. The results of current research showed good performance of composite systems including concrete column-steel beam in combination with steel shear wall and bracing system, are very desirable. The results show that the linear stiffness of models with X bracing and steel shear wall increase remarkably and their ultimate strength increase about three times rather than other RCS frames.
This paper presents an analytical model for determining the transverse reinforcement required for reinforced concrete exterior beam-column joints subjected to reversed cyclic loading. Although the joint aspect ratio can affect joint shear strength, current design codes do not consider its effects in calculating joint shear strength and the necessary amount of transverse reinforcement. This study re-evaluated previous exterior beam-column joint tests collected from 11 references and showed that the joint shear strength decreases as the joint aspect ratio increases. An analytical model was developed, to quantify the transverse reinforcement required to secure safe load flows in exterior beam-column joints. Comparisons with a database of exterior beam-column joint tests from published literature validated the model. The required sectional ratios of horizontal transverse reinforcement calculated by the proposed model were compared with those specified in ACI 352R-02. More transverse reinforcement is required as the joint aspect ratio increases, or as the ratio of vertical reinforcement decreases; however, ACI 352R-02 specifies a constant transverse reinforcement, regardless of the joint aspect ratio. This reevaluation of test data and the results of the analytical model demonstrate a need for new criteria that take the effects of joint aspect ratio into account in exterior joint design.
Zemri, Amine;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.4
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pp.693-710
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2015
This paper presents a nonlocal shear deformation beam theory for bending, buckling, and vibration of functionally graded (FG) nanobeams using the nonlocal differential constitutive relations of Eringen. The developed theory account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the nanobeam, and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the nanobeam. A shear correction factor, therefore, is not required. In addition, this nonlocal nanobeam model incorporates the length scale parameter which can capture the small scale effect and it has strong similarities with Euler-Bernoulli beam model in some aspects such as equations of motion, boundary conditions, and stress resultant expressions. The material properties of the FG nanobeam are assumed to vary in the thickness direction. The equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions are presented for a simply supported FG nanobeam, and the obtained results compare well with those predicted by the nonlocal Timoshenko beam theory.
Bourada, Mohamed;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed
Steel and Composite Structures
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v.18
no.2
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pp.409-423
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2015
In the present work, a simple and refined trigonometric higher-order beam theory is developed for bending and vibration of functionally graded beams. The beauty of this theory is that, in addition to modeling the displacement field with only 3 unknowns as in Timoshenko beam theory, the thickness stretching effect (${\varepsilon}_Z{\neq}0$) is also included in the present theory. Thus, the present refined beam theory has fewer number of unknowns and equations of motion than the other shear and normal deformations theories, and it considers also the transverse shear deformation effects without requiring shear correction factors. The neutral surface position for such beams in which the material properties vary in the thickness direction is determined. Based on the present refined trigonometric higher-order beam theory and the neutral surface concept, the equations of motion are derived from Hamilton's principle. Numerical results of the present theory are compared with other theories to show the effect of the inclusion of transverse normal strain on the deflections and stresses.
The seismic performance of the reinforced concrete (RC) special-shaped column to steel beam connections with steel jacket used in the RC column to steel beam fabricated frame structures was investigated in this study. The three full-scale specimens were subjected to cyclic loading. The failure mode, ultimate bearing capacity, shear strength capacity, stiffness degradation, energy dissipation capacity, and strain distribution of the specimens were studied by varying the steel jacket thickness parameters. Test results indicate that the RC special-shaped column to steel beam connection with steel jacket is reliable and has excellent seismic performance. The hysteresis curve is full and has excellent energy dissipation capacity. The thickness of the steel jacket is an important parameter affecting the seismic performance of the proposed connections, and the shear strength capacity, ductility, and initial stiffness of the specimens improve with the increase in the thickness of the steel jacket. The calculation formula for the shear strength capacity of RC special-shaped column to steel beam connections with steel jacket is proposed on the basis of the experimental results and numerical simulation analysis. The theoretical values of the formula are in good agreement with the experimental values.
Sangwook Park;Patricia Clayton;Todd A. Helwig;Michael D. Engelhardt;Eric B. Williamson
Steel and Composite Structures
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v.51
no.5
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pp.563-573
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2024
This research experimentally evaluated the local stress distribution along the cross-section of composite beams under both positive and negative moments. The experiment utilized a large-scale, two-story, two-by-three bay steel gravity frame with a concrete on metal deck floor system. The composite shear connections, which are nominally assumed to be pinned under gravity loading, can develop non-negligible moment-resisting capacity when subjected to lateral loads. This paper discusses the local stress distribution, orshear lag effects, observed near the beam-to-column connections when subjected to combined gravity and lateral loading. Strain gauges were used for measurements along the beam depth at varying distances from the connection. The experimental data showed amplified shear lag effects near the unconnected region of the beam web and bottom flange under the applied loading conditions. These results indicate that strain does not vary linearly across the beam cross-section adjacent to the connection components. This insight has implications for the use of experimental strain gauge data in estimating beam demands near the connections. These findings can be beneficial in informing instrumentation plans for future experimental studies on composite beams.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.2
no.3
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pp.75-86
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1982
The degeneration of two classes of thick beam elements has been conducted, one (DB6) based on the conventional Timoshenko beam assumptions whereas the other (DB7) based on the assumed cubic axial displacement profile. While an adjustable shear correction factor is required for the DB 6 element to compensate for the unrealistic distribution of shear strain across the thickness, the DB 7 element assumes the more realistic quadratic profile of shear strain at the outset. With the plane-stress continuum solution as reference, solutions obtained by these two element models are compared with the analytical Timoshenko solution, the analytical thin beam solution and several available solutions of other existing beam elements. The result indicates that the performance of the higher order beam element DB 7 is consistently superior to any others. This is true for the whole range of aspect ratios of beam, in both static and free vibration analyses.
To investigate the shear strength and hysteretic behavior of SRC column to H steel beam joints, seven cruciform specimens were fabricated and tested. The test specimens showed stable hysteresis behavior with a little pinching. The strength decreased with increase in deflection after the speciemens reached at the maximum strength. The shear strength of panel zones increased with increased in the concrete amount of SRC column sections. The shear strength may conservatively be estimated by the sum of shear yielding strength of steel column web, plastic bending strength of steel column flange and ultimate shear strength of concrete in the panel zone.
Chiu, Chien-Kuo;Saputra, Jodie;Putra, Muhammad Dachreza Tri Kurnia
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.6
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pp.757-770
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2022
For the design of flexural and shear crack control for reinforced concrete (RC) beams related to serviceability and reparability ensuring, eight simply-supported normal-strength reinforced concrete (NSRC) beam specimens are tested and the existing high-strength reinforced concrete (HSRC) experimental data are included in the investigation of this work. According to the investigation results of flexural and shear cracks, this works modifies the existing design formulas to determine the spacing of the tensile reinforcement for the flexural crack control of a HSRC/NSRC beam design. Additionally, for a specified shear crack width of 0.4 mm, the allowable stresses of the shear reinforcement are also identified. For the serviceability and reparability ensuring of HSRC/NSRC beams, this works proposes the relationship curves between the maximum flexural width and allowable stress of the tensile reinforcement, and the relationship curves between the shear crack width and allowable shear force that can be used to do the crack width control directly.
Ko, Myung Joon;Lee, Young Hak;Kim, Min Sook;Park, Jong Yil;Kim, Heecheul
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.6
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pp.667-674
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2015
In this paper, shear behavior of concrete wide beam reinforced with plates with openings was evaluated. For this evaluation, evelen specimens were manufactured. One specimen was non-shear reinforced, five specimens were reinforced with steel plates and the other five specimens were reinforced GFRP plates. Shear strengths measured through experiments were compared with ones calculated from the equation provided by ACI 318. Longitudinal spacing of shear reinforcement, transverse spacing of shear reinforcement and shear reinforcement material were considered as variables. Test results showed that the shear strength increased as the transverse and longitudinal spacing of shear reinforcement became narrow. Also, regardless of material type of shear reinforcement, the shear capacity was similar when the amount of shear reinforcement was the same.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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